汽车电子控制转向技术的发展趋势
    

 随着电子技术的迅速成长,电子技术在汽车上的运用范围不竭扩年夜。汽车转向系统已从简单的纯机械式转向系统、液压动力转向系统(HydraulicPowerSteering,简称HPS)、电动液压助力转向系统(ElectricHydraulicPowerSteering,简称EHPS)成长到现在的更为节能及操作性能更为优越的电动助力转向系统(ElectricalPowerSteering,简称EPS)。EHPS和EPS等助力系统在汽车上的采用,改善了汽车转向力的控制特征,下降了驾驶员的转向负担,然而汽车转向系统始终处于机械传动阶段,由于转向传动比固定,汽车转向特征随车速变化进行一定的操作抵偿,从而控制汽车按其意愿行驶。若是转向盘与转向轮经由过程控制旌旗灯号毗连,即采用电子转向系统(Steering-By-WireSystem,简称SBWS),转向盘转角和汽车前轮转角之间关系(汽车转向的角传递特征)的设计就能够获得改善,从而下降驾驶员的操作负担,改善人—车闭环系统性能。本文综述了电子控制转向技术的成长、原理,并探讨了该项技术的成长趋向。

 1、电子控制转向系统的成长概况
  自1953年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车上首次批量使用液压动力转向系统以来,液压动力转向系统给汽车的成长带来了庞大的变化,使驾驶员的转向操作力年夜年夜下降,转向的活络性获得了提高。随着生产技术的成长,动力转向系统在体积、价格和所消耗的功率等方面都取得了惊人的前进。在20世纪80年月后期,又开发了变减速比、电控液压动力转向系统。可是动力转向系统的技术刷新都是基于液压动力转向系统的,没法消除HPS系统在安插、安装、密封性、操作活络度、能量消耗、磨损与噪声等方面的缺陷。直到1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统,才真正解脱了液压动力转向系统的束厄局促[1>。
  尔后,电动助力转向技术获得迅速成长,其运用范围已从微型轿车向年夜型轿车和客车标的目的成长。日本的年夜发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司,美国的Delphi公司,英国的Lueas公司,德国的ZF公司,都研制出了各自的EPS。如年夜发汽车公司在其Mira车上装备了EPS,三菱汽车公司在其Minica车上装备了EPS,本田汽车公司在Accord车上装备了EPS。Delphi公司已为年夜众的Polo、菲亚特Punto开发出EPS[2>。本田还在其AcuraNXS赛车上装备了EPS[3>。
  EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型成长,而且其控制形式与功能也进一步增强。日本早期开发的EPS仅仅在低速和停车时提供助力,高速时EPS将遏制工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力,而且还能在高速时提高汽车的操作稳定性。如日本铃木公司装备在WagonR 车上的EPS是一个负载-路面-车速感应型助力转向系统[4>。由Delphi公司为Funte车开发的EPS为全范围助力型,而且设置了两个开关,其中一个用于郊区,另外一个用于市区和停车。当车速年夜于70km/h后,这两种开关设置的法式则是一样的,以保证汽车在高速时有合适的路感,这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门有关,使得在踩油门加速和松油门减速时,转向更平滑。
  随着电子技术的成长,EPS技术日益完善,而且其成本年夜幅度下降,为此其运用范围将越来越年夜。
  早在20世纪60年月末,德国Kasselmann等试图将转向盘与转向车轮之间经由过程导线毗连(即电子转向系统),但由于那时电子和控制技术的制约,电子转向系统一直没法在实车上实现。奔跑公司于1990年起头了前轮电子转向系统的深进研发,并将其开发的电子转向系统运用于概念车F400Carving上。世界其他各年夜汽车厂家、研发机构(包括Daimler-Chrysler、宝马、ZF、DELPHI、TRW等)和日本的光洋(Koyo)精工技术研究所、日本国立年夜学、本田汽车公司等也前后对汽车电子转向系统做了深进研究。今朝许多汽车公司开发了自己的电子转向系统,一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该系统。
  日本Koyo技术研究所凭据他们自己的研究实验成效,哄骗电子转向系统进行自动控制的汽车,在磨擦系数很小的坚实雪地上进行蛇行、移线、侧向风实验中基本依照预定的轨迹行驶,比传统转向系统在线路跟踪性能上有较年夜的提高。在对开路面上进行制动实验也能基本保证汽车的直线行驶,制动距离也年夜年夜缩短。
  日本年夜学和本田汽车公司在汽车电子转向系统方面也做了一些理论工作和模拟器实验研究。他们从人—车闭环系统特征动身,设计了理想的转向系统传动比,使汽车的稳态增益不随车速变化,并重点研究了驾驶员角控制特征和力控制特征对汽车自动平安性的影响。
  宝马汽车公司的概念车BMWZ22,运用了SBWS和BBW(Brake-By-Wire)技术,转向盘的转动范围削减到了160°,使紧急转向时驾驶员的忙碌水平获得了很年夜水平的下降。
    今朝由于汽车供电系统的身分,转向电念头难以提供较年夜功率,现阶段电子转向系统的研究和近期的运用对象主要针对轿车。要在重型载货汽车上运用,还必需采用液压执行机构。随着蓄电池技术的成长和42V电子装备在汽车上的运用,全电子转向系统将运用到中型和重型车上。今朝,42V电源已在一些概念车上获得运用,通用的“自立魔力”和Bertone的“FILO”都采用了42V电源。
  国内动力转向器今朝还处于机械—液压动力转向阶段,对于电动助力转向系统,清华年夜学、北京理工年夜学、华南理工年夜学等高校展开了系统结构方案设计和系统建模及动力分析等研究,但今朝还没有实用的电动助力转向系统和电子转向系统。

 2、EPS的组成原理和分类
  (一)EPS的组成
  电动助力转向系统是在传统机械转向机构的根蒂根基上成长起来的。系统凡是由转矩传感器、车速传感器、电子控制器、电念头、电磁离合器和减速机构等组成[5>。Alto汽车电子控制动力转向系统的组成如图1所示。

(二)EPS的原理
  电子控制动力转向系统是哄骗电念头作为助力源,凭据转向参数和车速等,由微机完成助力工作的,其原理可概述以下。
  不转向时,电念头不工作;当操作转向盘时,装在转向盘轴上的转矩传感器不竭检测转向轴上的转矩,并由此发生一个电压旌旗灯号,该旌旗灯号与车速旌旗灯号同时输进电子控制器,由控制器中的微机凭据这些输进旌旗灯号进行运算处置,肯定助力转矩的年夜小和标的目的,即选定电念头的电流和转向,调整转向的辅助动力。电念头的转矩由电磁离合器经由过程减速机构减速增矩后,加在汽车的转向机构上,使之获得一个与工况相顺应的转向作用力。
  电子控制电动助力转向控制系统的焦点是一个4kBROM和256kBRAM的8位微机。
  转向盘转矩旌旗灯号和车速旌旗灯号经过输进接口送进微机,随着车速的提高,经由过程微机控制响应地下降助力电念头电流,以削减助力转矩。发念头转速旌旗灯号也被送进微机,当发念头处于怠速时,由于供电不足,助力电念头和离合器不工作。焚烧开关的通断(on/off)旌旗灯号经A/D转换接口送进微机,当焚烧开关断开时,电念头和离合器不能工作。微机控制指令经D/A转换后送进电念头和离合器的驱动放年夜电路中,控制电念头的旋转标的目的和离合器的连系。电念头的电流经驱动放年夜回路、电流表A、A/D转换接口反馈给微机,将电念头的现实电流与按微机指令应给的电流相比力,调理电念头的现实电流,使两者接近一致。
  (三)EPS分类
  凭据电念头驱动部位的分歧,将电动助力转向系统分为3类:转向轴助力式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式[6-10>。
  图1为转向轴助力式转向系统。其转矩传感器、电念头、离合器和转向助力机构组成一体,安装在转向柱上。其特点是结构紧凑,所测取的转矩旌旗灯号与控制直流电念头助力的响应性较好。这类类型一般在轿车上使用。
  小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电念头、离合器和转向助力机构仍为一体,只是整体安装在转向小齿轮处,直接给小齿轮助力,可获得较年夜的转向力。该形式可以使各部件安插更利便,但当转向盘与转向器之间装有万向传动装配时,转矩旌旗灯号的取得与助力车轮部门不在统一直线上,其助力控制特征难以保证准确。
  齿条助力式转向系统的转矩传感器零丁地安装在小齿轮处,电念头与转向助力机构一起安装在小齿轮另外一真个齿条处,用以给齿条助力。该类型又凭据减速传念头构的分歧可分为两种:一种是电念头做成中空的。齿条从中穿过,电念头的动力经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副和与螺母制成一体的铰接块传给齿条。这类结构是第一代电动助力转向系统,由于电念头位于齿条壳体内,结构复杂,价格高,维修也坚苦。另外一种是电念头与齿条的壳体相互自力。电念头动力经另外一小齿轮传给齿条,由于易于制造和维修,成本低,已取代了第一代产物。由于齿条由一个自力的齿轮驱动,可给系统较年夜的助力,主要用于重型汽车。

 3、电子转向系统
  电子转向系统(Steering-By-WireSystem,SBWS)由转向盘模块、转向执行模块和主控制器(ECU)3个主要部门和自动防故障系统、电源等辅助模块组成,如图2所示。转向盘模块包括转向盘、转向盘转角传感器、转矩传感器和转向盘回正力矩电念头。其主要功能是将驾驶员的转向意图(经由过程丈量转向盘转角)转换成数字旌旗灯号并传递给主控制器;同时接收主控制器送来的力矩旌旗灯号,发生转向盘回正力矩,以提供给驾驶员响应的路感信息。

  转向执行模块由前轮转角传感器、转向执行电念头、转向电念头控制器和前轮转向组件等组成。其主要功能是接收主控制器的饬令,控制转向电念头实现要求的前轮转角,完成驾驶员的转向意图。
  主控制器对收集的旌旗灯号进行分析处置,判别汽车的运动状态,向转向盘回正力矩电念头和转向电念头发送死令,控制两个电念头的工作,尽量保证在分歧车速下汽车转向响应特征基本一致,削减驾驶员对汽车转向特征随车速变化而进行抵偿的使命,减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别,判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理,当汽车处于非稳定状态或驾驶员发犯错误指令时,电子转向系统将自动进行稳定控制或将驾驶员毛病的转向操作屏障,而以合理的方式自动驾驶车辆,使汽车尽快地恢复到稳定状态。
  故障处置控制器是电子转向系统的重要模块,它包括一系列的监控和实施算法,针对分歧的故障形式和故障品级作出响应的处置,以求最年夜限度地连结汽车的正常行驶。它采用零丁的专用处置器,能更好地提高汽车平安性能。
  电子转向系统今朝存在两种形式:前轮电子转向系统和后轮电子转向系统。前者,传统的转向元件被2个安插在汽车前侧角落的激励器所取代,这2个激励器从控制器获守信息,从而驱动前轮,同时,该系统还哄骗电念头向驾驶员提供路面信息。至于后轮电子转向系统,则是哄骗传感器来肯定后轮的偏转,并之前轮的偏转角度和车速作为参考。

 4、电子控制动力转向系统的特点
  将电子控制动力转向系统同普通液压动力转向系统的性能进行比力[8-12>,其优越性主要浮现在以下几个方面。
  1.在各类行驶工况下提供最好助力,减小由路面不服所引发的对转向系统的扰动,改善汽车的转向特征,减轻汽车低速行驶时的转向操作力,提高汽车高速行驶时的转向稳定性,进而提高汽车的自动平安性。而且可经由过程设置分歧的转向助力特征来知足分歧使用对象的需要。
  2.电子控制动力转向系统只有在转向时电念头才提供助力(而HPS即使在不转向时,油泵也一直运转),因而能削减燃料消耗。同时取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管等,其零件比HPS年夜年夜削减,因而其质量轻,结构紧凑,在安装位置选择方面也更容易,而且能下降噪声、节省能源、削减废气排放。
  3.由于直接由电念头提供助力,电念头由蓄电池供电,是以EPS能否助力与发念头是否起动无关,即使在发念头熄火或泛起故障时也能提供助力。
  4.电子控制动力转向系统没有液压回路,比HPS更容易调整和检测,装配自动化水平更高。而且可以经由过程设置分歧的法式能快速地与分歧车型相匹配,因而能缩短开发和生产周期。
  5.液压动力转向系统在低温下起动发念头后,由于低温下油的粘度较年夜,转向时作用力较高。电动助力转向系统在低温下不会增加转向作用力和发念头负荷,因而其低温运行状态好过前者。
  6.SBWS系统还能改善驾驶员的“路感”。由于转向盘和转向轮之间无机械毗连,驾驶员“路感”经由过程模拟生成。在回正力矩控制方面可以从旌旗灯号中提出最能够反映汽车现实行驶状态和路面状态的信息,作为转向盘回正力矩的控制变量,使转向盘仅仅向驾驶员提供有用信息,从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。
  7.SBWS能消除转向干与问题,为实现多功能全方位的自动控制和汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的集成提供了显著的先决条件。
  8.对前轮驱动汽车,在安装发念头时需要斟酌刚性转向轴占用空间,转向轴必需依据汽车是左侧仍是右侧驾驶,安装在发念头四周,设计人员必需协调解理各类需要放置部件。而SBWS往失落了原来转向系统各个模块之间的刚性机械毗连,年夜年夜利便了系统的总安插。

 5、电子控制动力转向系统的成长趋向
  电动助力转向系统经过十几年的成长,在下降自重、削减生产成本,控制系统发烧、电流消耗、内部磨擦,整车进行匹配获得合理的助力特征和保证优秀的路感方面取得了重年夜前进。电动助力转向系统在操作舒适性和平安性、节能等方面充实显示了其优越性,现在已在轻型车和轿车上获得运用并具有优秀的工作性能。随着直流机电性能的改良,其运用范围将越来越广。据TRW公司展望,到2010年,全球生产的每3辆轿车中就有1辆装备EPS,出格是低排放汽车、夹杂动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车将组成未来汽车成长的主体,这给电子控制转向系统带来了加倍广漠的运用前景。
  虽然今朝在欧洲汽车律例中要求驾驶员与转向车轮之间必需有机械毗连,电子转向系统还不允许在欧洲上市。但只要生产商能够有足够的证据讲明电子转向系统的平安靠得住性,它获得上市许可仍是完全可能的。电子控制转向系统的最终成长趋向在以下几个方面。
  1.改善控制系统性能、减小控制单元和驱动单元的体积及下降控制系统的制造成本,使之更好地与分歧档次汽车相顺应。如改良电念头控制技术,消除由于电念头惯性年夜、磨擦力所带来的转向路感不足等错误谬误,使电动助力转向系统也能运用于重型载货汽车上。
  2.实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其他控制单元的通讯联系,以实现整车电子控制系统一体化。
  3.将凭据车速、转矩、转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种旌旗灯号进行与汽车特征相吻合的综合控制,以获得更好的转向路感。
  4.提高系统的靠得住性。这应从提高系统各部件的靠得住性进手,如采用非接触式转矩传感器。
  5.提高系统的平安性。采用取消转向盘的SBWS系统后,驾驶室有更年夜的空间用于安插被动平安部件,削减了危险发生时对乘员的危险。
  电动转向技术由于其技术进步前辈,性能优越,未来势必取代其他动力转向技术,成为动力转向技术的主流。线控动力转向系统将是动力转向系统的成长标的目的,是未来汽车对平安性、操作稳定性和舒适性的更高要求,有着很好的成长前景。
  固然,在汽车迈向周全线控转向之前,电动转向系统是“中站”,是第一步,当汽车装有电动转向系统时,其中的转向电念头将接受一系列传感器旌旗灯号,例如转向控制、动态稳定控制等,最后机械的部门一个一个消失,逐渐酿成了周全线控转向。


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    收录时间:2014年04月18日 01:03:34 来源:E路风机网 作者:匿名
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